1、蘭州交通大學畢業設計（論文）- I - 摘 要本文以第七屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽為背景，對兩輪直立行走智能小車硬件和軟件進行了深入的分析與設計，以參與制作的智能小車為例介紹智能小車設計制作的全過程。該智能車系統所用車模型號為 N-286。采用 16 位單片機 MC9S12XS128 作為主控制單元，設計、制作一輛能夠自動識別路徑并能兩輪自平衡直立行走的智能小車。整個智能車系統主要包括三大方面：機械結構安裝，硬件電路設計，軟件算法設計。本系統在設計中采用模塊化設計，其中，路徑檢測模塊采用 LC 諧振回路作為選頻網絡，然后對其信號進行放大、濾波；角度檢測模塊利用陀螺儀和加速度傳感器分

2、別測量車模的角速度、角度，然后將角速度積分信號與角度信號整合得到車模的精確角度信號；電機驅動模塊采用四片 BTS7960 驅動芯片，兩兩級聯構成全橋驅動電路，利用 PWM進行速度控制；速度檢測模塊采用增量式光電編碼器；電源模塊通過穩壓芯片提供3.3V、5V 電壓。系統應用 PID 控制算法，構成一個閉環控制系統。通過對賽道信息、角度信號和速度信號的綜合分析，利用 N-286 型車模雙后輪驅動的特點，實現小車兩輪自平衡直立行走。關鍵字：直立行走；關鍵字：直立行走；PIDPID；MC9S12XS128MC9S12XS128；電機控制；電機控制蘭州交通大學畢業設計（論文）- II - Abstrac

3、tOn the background of the Seventh Freescale Cup Intelligent Auto-mobile Competition for national college students, this paper conducts deep analysis and design on the hardware and software of the two walking upright intelligent automobiles, and briefly introduces the whole processes of designing and

4、 making the automobile through the example of making the intelligent automobile.This intelligent auto-mobile system adopts the model N-286 as its type. By taking the 16 bits single chip microcontroller MC9S12XS128 as its main control unit, we can design and make an intelligent auto-mobile, which can

5、 recognize certain road automatically and run upright with its two wheels. The entire system contains three main parts: the installation of mechanical structure, the design of hardware circuit and the design of the software algorithm. The system adopts the modular design. Among them, the path detect

6、ion module uses LC resonance loop as the frequency selective network, and then has its signal amplified and filtered. The angle detection module uses the gyroscope and angle acceleration sensor to measure the angular velocity and angle of models respectively. Then it integrates angle speed signal an

7、d angle signal to get precise angle signal of the models. Motor driver module uses four pieces of BTS7960 drive chips and two cascades to construct the whole bridge driving circuit. The system adopts PWM speed control algorithm to form a close loop control system. Speed detection module uses the sol

8、id-axes photoelectric encoder. Power module supplies voltage of 3.3V and 5V through regulated chips. The system applies the PID control algorithm to form a closed loop control system. Through a comprehensive analysis of track information, angle signal and speed signal and by using the characteristic

9、s of dual rear-wheel drive of N-286 auto-mobile models, it realizes the self-balanced upright walking with its two wheels.Key Words: Walk upright, PID, MC9S12XS128, Motor control蘭州交通大學畢業設計（論文）- III - 目 錄摘 要.IAbstract .II目 錄.III1 緒論.11.1 研究背景.11.2 設計前景.11.3 設計內容和意義.12 電磁車整體結構.22.1 設計的總體思路.22.2 直立行走任務

10、分析.43 機械結構.53.1 車模簡化改裝.53.2 傳感器安裝.63.3 其他注意事項.64 系統硬件電路設計.74.1 電磁線檢測電路.74.1.1 感應電路設計.74.1.2 放大電路設計.84.1.3 檢波、濾波電路設計.94.1.4 電磁線檢測整體電路.94.2 角度傳感器電路.104.3 電機驅動電路.104.4 速度傳感器.114.5 電源模塊電路.124.6 其他電路模塊.145 控制策略與算法研究.155.1 軟件功能與框架.155.2 MC9S12XS128 片內資源簡介 .165.3 主要的控制算法與實現.175.3.1 PID 控制簡介.17蘭州交通大學畢業設計（論文

11、）- IV - 5.3.2 車模直立控制.185.3.3 車模速度控制.195.3.4 車模方向控制.205.3.5 車模直立行走控制算法總圖.205.4 調試與參數整定.215.5 開發與調試環境.22結 論.23致 謝.24參考文獻.25附錄 A 系統原理圖.26附錄 B 系統 PCB 圖.27附錄 C 程序代碼.28蘭州交通大學畢業設計（論文）- 1 - 1 緒論1.1 研究背景本課題來源于“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽。 “飛思卡爾”杯智能汽車競賽是教育部為了加強大學生實踐、創新能力和團隊精神的培養而舉辦的面向全國大學生的智能汽車比賽，具有重大的現實意義1。 “飛思卡爾”杯智能汽

12、車大賽從2006年開始舉辦，今年是第七屆。競賽為了提高全國大學生智能汽車競賽創新性和趣味性，激發高校學生參與比賽的興趣，提高學生的動手能力、創新能力和接受挑戰能力，智能汽車競賽組委會將電磁組比賽規定為車模直立行走。相對于傳統的四輪行走的車模競賽式，車模直立行走在車體檢測、控制算法等方面提出了更高的要求。1.2 設計前景智能小車的研究、開發和應用涉及傳感技術、電氣技術、電氣控制技術、智能控制等學科，智能控制技術是一門跨科學的綜合性技術，當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。可以適應不同環境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險地段，人類無法介入等特殊情況下的任務。智能車輛是一個集環境感知、規劃決

13、策、自動駕駛等多種功能于一體的綜合體統。如果將以上技術引用到現實生活中，可以使我們的未來生活變得更加智能。除了潛在的軍用價值外，還可以應用于科學研究、地質勘探、危險搜索、智能救援等，其在交通運輸中的應用前景也受到西方國家的普遍關注。1.3 設計內容和意義本設計所用車模型號為 N-286，采用 16 位單片機 MC9S12XS128 作為主控制單元，設計、制作一輛能夠自動識別特制跑道并能兩輪自平衡行走的智能小車。整個系統主要包括三大方面：機械結構安裝，硬件電路設計，軟件算法設計。按模塊劃分為：路徑檢測模塊，角度控制模塊，電機控制模塊，速度檢測模塊，電源模塊等。整個系統為一個閉環控制系統，采用電磁

14、傳感器、傾角傳感器及測速編碼器等設計信息采集電路和控制算法，利用 N-286 型車模雙后輪驅動的特點，實現小車兩輪自平衡行走。以主單片機為中央紐帶控制和協調各模塊調理有序的穩定運行。后文將分別從機械結構、系統硬件設計、軟件設計三大方面對各子模塊進行詳細解析。智能車的研究很有應用前景，對智能化研究能起到引導的作用，尤其對自動駕駛、智能運輸的研究具有重要意義。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 2 - 2 電磁車整體結構2.1 設計的總體思路電磁智能車模型采用 N-286 型車模。整個系統為一個閉環控制系統，通過對電磁傳感器、傾角傳感器及測速編碼器等設計信息采集電路，采用 16 位單片機MC9S12X

15、S128 作為主控制單元對以上信息數據進行采集、處理，進而設計控制算法，利用車模雙后輪驅動的特點，控制車模兩個電機，實現小車兩輪自平衡直立行走。如圖 2.1 所示。圖 2.1 電磁車俯視圖按照設計要求，賽車需兩輪自平衡直立沿著電磁跑道行走，在此要求下設計的電蘭州交通大學畢業設計（論文）- 3 - 磁車體系結構如圖 2.2 所示。Freescale單片機（MC9S12XS128）算法 車體直立 小車運行 方向控制速度檢測電機驅動電源電磁檢測信號輸入傾角傳感器編碼器1編碼器2電機1電機2陀螺儀角速度傳感器 兩路 脈沖信號 PWM*4AD*4AD*2圖 2.2 電磁車整體結構由圖 2.2 可知，電磁

16、車整體結構分為以下及模塊：(1) 電磁傳感器模塊：檢測導線電流約為 100mA，頻率 20KHz 的磁場的大小，進行路徑識別，并輸出電壓給 MC9S12XS128 采集；(2) 角度傳感器模塊：利用陀螺儀和加速度傳感器分別測量車模的角速度、角度，然后將角速度積分信號與角度信號整合得到車模的精確角度信號；(3) 速度傳感器模塊：利用增量式光電編碼器進行速度的測量，反饋給單片機，構成速度的閉環。光電編碼器線數越多，同等速度下單位時間內所能檢測到脈沖數也越多，因而速度檢測的分辨率也更高。另一方面，線數增多后，相鄰脈沖間的持續時間會變短，脈沖檢測的可靠性會因相鄰脈沖的干擾而受到影響；(4) MC9S1

17、2XS128 模塊：構成系統的控制器；(5) 電機驅動模塊：通過 MC9S12XS128 單片機輸出的 PWM(Pulse Width Modulation)控制，功率放大用來驅動電機，要求驅動電流足夠大，同時要考慮到大電流對整個系統的影響；(6) 電源管理模塊：制作相應的電源電路，針對個模塊的輸入電壓信號要求。利用不同的穩壓芯片為各模塊供電。利用 5V 穩壓芯片將電源穩成 5V，給單片機、速度傳感器及路徑檢測模塊供電，LM117 電壓可調芯片給兩個角度傳感器供電，而電機則利蘭州交通大學畢業設計（論文）- 4 - 用電源直接供電。2.2 直立行走任務分析電磁智能車設計要求車模在直立的狀態下以兩

18、個輪子著地沿著賽道行走，相比四輪著地狀態，車模控制任務更為復雜。按照設計思路“對三類傳感器的信息整合，來控制車模兩個后輪電機，完成設計任務”，由此可見車模控制的核心是兩個后輪電機。為了能夠方便找到解決問題的辦法，首先將復雜的問題分解成簡單的問題。根據設計要求，維持車模直立、運行的動力都來自于車模的兩個后車輪，后輪轉動由兩個直流電機驅動。因此從控制角度來看，由控制車模兩個電機旋轉方向及速度實現對車模的控制。車模控制任務可以分解成以下三個基本任務：(1) 控制車模直立：通過控制兩個電機正反向運動保持車模直立狀態；(2) 控制車模速度：通過控制兩個電機轉速速度實現車模行進控制；(3) 控制車模轉向：

19、通過控制兩個電機之間的轉動差速實現車模轉向控制。以上三個任務都是通過控制車模兩個后輪驅動電機完成的。可以假設車模的電機可以虛擬地被拆解成三個不同功能的驅動電機，它們同軸相連，分別控制車模的直立平衡、前進行走、左右轉向。直流電機的力矩最終來自于電機驅動電壓產生的電流。因此只要電機處于線性態，上述拆解可以等效成三種不同控制目標的電壓疊加之后，施加在電機上。在上述三個任務中保持車模直立是關鍵。由于車模同時受到三種控制的影響，從車模直立控制的角度，其它兩個控制就成為它的干擾。因此在速度、方向控制的時候，應該盡量平滑，以減少對于直立控制的干擾。上述三個控制各自獨立進行控制，它們各自假設其它兩個控制都已經

20、達到穩定。比如速度控制時，假設車模已經在直立控制下保持了直立穩定，通過改變電機的電壓控制車模加速和減速。車模在加速和減速的時候，直立控制一直在起作用，它會自動改變車模的傾角，移動車模的重心，使得車模實現加速和減速2。三個任務的實現算法將在第五節簡紹。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 5 - 3 機械結構良好的車模機械設計與制作，對于車模穩定運行、安全調試都非常重要。如下就車模簡化改裝與傳感器安裝兩個方面進行簡紹。3.1 車模簡化改裝由于電磁智能車采用了N-286型車模，它是雙后輪驅動，前輪舵機轉向的運動模式，而設計要求車模直立行走，因此車模前輪以及部分相關部件都可以進行簡化。具體可以參照以下改裝

21、步驟：(1) 去掉前輪及其支撐部件，去掉后輪懸掛緩沖支架拆，如圖3.1所示。圖 3.1 簡化后車模底盤(2) 固定車模底盤與后輪支架原有車模為了減輕后輪振動對于車體的影響，后輪的支架與底盤之間采用了活動連接方式。但是，為了保證車模直立車體穩定性，需要將原有車模地盤與后輪支架固定在一起。最簡便的方式就是可以使用熱熔膠在后輪支架與底盤之間的縫隙處進行粘蘭州交通大學畢業設計（論文）- 6 - 接。這樣后輪與車體之間形成一個剛體，便于進行直立控制。3.2 傳感器安裝車模中的傳感器包括有：速度傳感器，車模姿態傳感器（陀螺儀、加速度計）以及電磁檢測感應線圈。下面分別介紹這些傳感器的安裝。(1) 速度傳感器

22、安裝本設計采用E6A2-CWZ3光電編碼器檢測速度。將光電編碼器安裝與車尾，保證光電編碼器齒輪與電機齒輪的嚙合既不太過松散造成測速不穩定也不過緊打壞齒輪。良好的齒輪嚙合可以由車模行駛時發出的響聲均勻與否判定。(2) 電磁傳感器安裝電磁傳感器為兩個工字型的10毫亨電感。為了能夠更好的檢測前面的道路，一般將前排兩個工字型的電感盡可能的安裝在車模運行前方較遠的地方。由于此車模是直立運行，速度不是太快，傳感器只有兩排，為了避免車模在通過十字交叉線路口時受到的影響，在固定后排兩個電感線圈的時候，盡量保持這兩個線圈呈水平位置。(3) 車模傾角傳感器車模傾角傳感器包括陀螺儀和加速度計。它們都是表貼元器件，固

23、定在電路板上。將這塊帶有陀螺儀和加速度計的電路板固定在整個車模中間質心的位置，這樣可以最大程度減少車模運行時前后振動對于測量傾角的干擾。3.3 其他注意事項由于車模直立運行，盡可能減少電路板的尺寸，一方面便于固定，另一方面可以減少車模的慣量。固定電路板應盡可能貼近車模的底盤，使其能夠穩固。為了避免車模運行過程中傾倒，摔壞車模及其上的電路板，在車模機械設計時，需要在車模前后安裝有防撞支架或者緩沖物，一旦車模傾倒或者失控，防撞支架可以保護車模機械、電路的安全性。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 7 - 4 系統硬件電路設計根據前面簡紹的設計思路，本設計硬件電路設計主要分為以下幾個模塊： (1) 電磁

24、線檢測模塊：包括兩路相同的電磁感應信號放大、檢波、濾波電路；(2) 角度傳感器模塊：包括兩個姿態傳感器信號的放大、濾波電路；(3) 電機驅動模塊：驅動兩個電極運行電路；(4) 速度檢測模塊：檢測電機光電碼盤脈沖；(5) 電源模塊：電源電壓轉換、穩壓、濾波電路；(6) 其他電路模塊：包括撥碼開關、液晶顯示等，用于輔助車模調試。以下將分別對各模塊電路給出設計方案。4.1 電磁線檢測電路電磁車要檢測的賽道環境是由通有 20kHz、100mA 交變電流的導線所產生的電磁場。電磁場檢測是本設計要解決的一個關鍵問題，此次設計采用電磁感應磁場的方法進行信號提取3。路徑檢測模塊的信號流經四個部分：線圈感應變化

25、的磁場得到電磁感應信號；放大電路對電磁感應信號進行放大；放大后的信號經過檢波、濾波后變為直流信號；最后，送單片機 AD 口進行數據采集4。4.1.1 感應電路設計采用 LC 諧振回路作為選頻網絡，選頻網絡的諧振頻率為 20kHz。根據公式 4.10f可以選定電感電容的參數5。 (4.1)012fLC此電路設計選取 10mH 工字型電感和 6.8nF 電容，圖 4.1 是 LC 選頻網絡電路圖和示波器顯示的 OUT 端輸出的波形。圖 4.1 LC 選頻網絡電路圖和示波器顯示的 OUT 端輸出的波形蘭州交通大學畢業設計（論文）- 8 - 4.1.2 放大電路設計電感輸出的電壓為幾十毫伏，輸出電壓比

26、較小，不利于單片機進行數據采集，需要對信號進行放大。放大電路的原理圖如圖 4.2 所示。100R1104R2814321LM358VCCINPUTOUTPUT圖 4.2 放大電路原理圖此電路利用同相比例運算放大器進行信號放大，選取 LM358 芯片（此芯片單雙電源供電均可，性能穩定，應用電路簡單，能滿足設計要求），其中 R1 為定值電阻，R2 為可調電阻，這樣可以調節放大倍數，INPUT 端()接電感的輸出信號，OUTPUTiU端()為放大后的輸出信號。根據式 4.2 可以計算出放大后的電壓5。0U (4.2)20i1(1)RUUR放大后電壓基本能達到 3V 左右，輸出波形如圖 4.3 所示。

27、圖 4.3 放大后的輸出波形蘭州交通大學畢業設計（論文）- 9 - 4.1.3 檢波、濾波電路設計因為運算放大器采用單電源供電，所以放大后的信號是半波信號。如果對放大后的信號進行檢波，基本上可以得到直流信號，再經過濾波，信號就更加穩定、平整，這樣將信號直接接入單片機的 AD 口進行 AD 轉換后再行處理。本設計采用 AD 轉換的方式采集數據，檢波、濾波電路如圖 4.4 所示。104C350kR2D1D2OUTPUTINPUT圖 4.4 檢波、濾波電路原理圖圖 4.4 中，INPUT 端接入放大以后的信號，OUTPUT 端輸出慮波以后的信號。檢波電路中選用肖特基二極管 D1、D2，因為其管壓降低

28、于普通二極管，開關特性優于普通二極管，C3、R2 組成 RC 濾波電路進行濾波。4.1.4 電磁線檢測整體電路將以上幾部分電路組合起來便構成電磁線檢測電路，電路如圖4.5所示。100R1104C350kR2D1D2682C110mHL1104R-adj814321LM358VCC33UFC2OUT圖 4.5 電磁線檢測整體電路蘭州交通大學畢業設計（論文）- 10 - 4.2 角度傳感器電路車模傾角傳感器電路主要是將陀螺儀(ENC03)信號進行放大濾波。由于加速度傳感器采用是低值的傳感器MMA7260，它是一款三軸低半導體加速度計，可以同時輸gg出三個方向上的加速度模擬信號，它的輸出信號非常大，

29、不需要再進行放大，只要使其對應控制端為低電平，選擇MMA7260最高的靈敏度，OUT端則輸出加速度計Z軸信號。陀螺儀應用電路圖如圖4.6所示。R2R5R4R1R3R61234ENC03C1VCC3.3VVCC3.3VOUT81432TLV2211圖 4.6 陀螺儀應用電路圖4.6中，將陀螺儀(ENC03)的輸出信號經運算放大器(TLV2211)進行放大，其中，R6、R5為分壓電阻，放大倍數R4/R2=R3/R1，并將零點偏置電壓調整到工作電源的一半(1.65V)左右，最終輸出角速度對應的電壓值，放大倍數需要根據選取的傳感器輸出靈敏度設計。4.3 電機驅動電路系統所用動力來源為直流電機，系統運行

30、的速度要提高就要設計好電機驅動模塊，此模塊必須在低電壓的情況下提供大電流，而且必須可控，在可靠性和穩定性都要滿足的條件下還要考慮到散熱，緩沖保護，響應速度和工作轉矩等。另一方面，電動機在運行期間不僅要控制正轉的速度，當遇到需要減速的路況時就要讓電動機反轉制動，要讓驅動模塊滿足正反轉的功能，而H橋電路就是控制電機正反轉的，控制原理也較為蘭州交通大學畢業設計（論文）- 11 - 簡單，電路也穩定6。由于設計所用車模具有兩個后輪驅動電機，因此需要兩組電機驅動橋電路。所以，此次設計選用了四片BTS7960兩兩級聯組成兩組全橋驅動電路。其應用電路原理圖如圖4.7所示。1GND2IN3INH4OUT5SR

31、6IS7VS1GND2IN3INH4OUT5SR6IS7VS1K1K1K1KPWM1SROUT11000UFPWM21KOUT2IRINH7.2V圖 4.7 電機驅動電路圖4.7中，VIN為電源輸入端口端，直接接入7.2V電池電壓，PWM1、PWM2為信號控制端，OUT1、OUT2為輸出端接電機。每片BTS7960內部為半橋結構，只有一路PWM信號輸入及一路輸出，它具有輸出功率大、性能穩定等特點。為了提高電源的應用效率，驅動電機的PWM波形采用了單極性的驅動方式，也就是在一個PWM周期內，施加在電機上的電壓為一種電壓6。因此每個電機為了能夠實現正反轉，都需要兩個PWM信號,兩個電機總共需要4路

32、PWM信號來控制其運行。為了防止電機輸出電流對于電源的沖擊，在電路板的電源輸入端口并聯了一個1000微法的電容,由于輸出信號復雜，為了進一步避免輸出干擾，可以在輸出端并聯一個0.47微法的小電容。4.4 速度傳感器為了使得智能車能夠平穩地沿賽道導引線運行，速度傳感器起著非常重要作用，控制車模的直立、速度、方向都必須準確的判斷兩個電機的轉動方向與轉速大小。這蘭州交通大學畢業設計（論文）- 12 - 樣才能形成一個閉環的自動控制系統，使得兩輪直立小車更加穩定、準確、快速的沿規定賽道運行。速度傳感器有很多種，鑒于光電編碼器安裝簡單，輸出信號比較規整，而且增量式光電編碼器可以輸出正比于轉速的脈沖，記錄

33、單位時間內的脈沖數就可以間接測取實時速度，所以選擇此類編碼器進行速度檢測。電磁車制作使用歐姆龍光電編碼器作為速度傳感器，安裝在車尾與傳動齒輪嚙合，使用與電機相同齒數的齒輪，相當于直接測得電機的轉速。該光電編碼器的測量精度為200P/r，有AB兩相輸出，相位差為9045，信號波形為方波。在使用之前需進行測量，看其波形是否平整、穩定，如果有紋波，考慮在信號端加上拉電阻，為其提供合適的功率，然后在測其輸出波形，以保證測速準確。4.5 電源模塊電路電源模塊對于一個控制系統來說極其重要，關系到整個系統是否能夠正常工作，因此在設計控制系統時應選好合適的電源模塊。供電電源為7.2V、2000mA的蓄電池，然

34、后經過不同型號的穩壓芯片對電源電壓穩壓后為各模塊供電。傾角傳感器模塊需要3.3V電源，單片機系統、電磁線檢測電路中的運算放大器芯片、光電碼編碼器、驅動使能等均需要5V電源，直流電機則使用7.2V、2000mA的蓄電池直接供電，系統電源分配如圖4.8所示。7.2V蓄電池5V7.2V3.3V電機驅動電磁傳感器單片機角度傳感器圖 4.8 系統電源分配5V芯片選取LM2940和LM2575兩種，其中LM2575具有內部損耗低、輸出功率大、應用電路比較完整，主要為電磁線檢測電路中的功率運算放大器芯片供電，應用電路如圖4.9所示。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 13 - ONFBGNDOUTV-IN100

35、UF200UFD1330mH7.2V5V圖4.9 LM2575穩壓模塊LM2940芯片雖然內部損耗較大，但是輸出電壓無紋波，信號十分穩定，并且其應用電路非常簡單，主要給單片機、驅動使能等供電，應用電路如圖4.10所示。47422UF7.2V5VINGNDOUT圖4.10 LM2940穩壓模塊3.3V供電芯片采用LM1117，此芯片輸出電壓可調，而且其輸出信號穩定，主要用于給兩個角度傳感器（陀螺儀和加速度傳感器）供電。應用電路如圖4.11所示。INadjOUT47UF10UF100UF100K1K57.2V3.3V圖4.11 3.3V穩壓模塊蘭州交通大學畢業設計（論文）- 14 - 4.6 其他

36、電路模塊系統電路設計中除了主要模塊電路外，還有其他輔助模塊電路，用于系統調試，譬如：撥碼開關、液晶顯示等。電路如圖4.12所示。12348765SW DIP-4VCC4704701K1K4701K4701KIO0IO1IO2IO3圖 4.12 撥碼開關電路蘭州交通大學畢業設計（論文）- 15 - 5 控制策略與算法研究通過前面的介紹，車模控制電路制作與安裝均已完畢。車模是否能夠正常高速穩定運行，需要通過軟件編寫和調試來完成。5.1 軟件功能與框架軟件的主要功能包括有：(1) 車模運行狀態檢測；(2) 電機PWM輸出；(3) 車模運行控制：直立控制、速度控制、方向控制；(4) 車模運行流程控制：

37、程序初始化、車模啟動與結束。主程序框架如圖5.1所示。初始化上電運行啟動車模直立控制車模直立檢測車模是否跌倒？啟動車模方向控制 讀取速度設定開始速度控制正確運行否是車模停止運行 圖 5.1 主程序框架蘭州交通大學畢業設計（論文）- 16 - 圖5.1中，程序上電運行后，便進行單片機的初始化。初始化的工作包括有兩部分，一部分是對于單片機各個應用到的模塊進行初始化；第二部分是應用程序初始化，是對于車模控制程序中應用到的變量值進行初始化。初始化完成后，首先進入車模直立檢測子程序，該程序通過讀取加速度計的數值判斷車模是否處于直立狀態。如果一旦處于直立狀態則啟動車模直立控制、方向控制以及速度控制，同時檢

38、查車模是否跌倒，跌倒判斷通過車模傾角是否超過一定范圍進行確定，一定車模跌倒，則停止車模運行，然后重新進入車模直立判斷過程。5.2 MC9S12XS128 片內資源簡介MC9S12XS128 微控制單元作為 MC9S12 系列的 16 位單片機，由標準片上外圍設備組成，包括 16 位中央處理器、128KB 的 Flash 存儲器、8KB 的 RAM、2KB 的EEPROM、兩個異步串行通信接口、兩個串行外圍接口、一組 8 通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型捕捉定時器、兩組 8 通道 10 路模數轉換器、一組 8 通道脈寬調制模塊、一個字節數據鏈路控制器、29 路獨立的數字 I/O 接口、20 路帶

39、中斷和喚醒功能的數字I/O 接口、5 個增強型 CAN 總線接口7。同時，單片機內的鎖相環電路可使能耗和性能適應具體操作的需要。MC9S12XS128 片內資源表如圖 5.2 所示8。圖 5.2 MC9S12XS128 片內資源蘭州交通大學畢業設計（論文）- 17 - 5.3 主要的控制算法與實現5.3.1 PID 控制簡介PID(Proportion Integral Differential)控制是模擬控制中最常用的控制規律，圖 5.3是 PID 控制系統原理圖。是系統的實際輸出值，是給定值，是給定值與實( )y t( )r t( )e t際輸出值的差值，如式 5.1 所示9。 (5.1)

40、( )( )( )e tr ty t式中，作為 PID 控制的輸入，作為 PID 控制器的輸出和被控對象的輸入。PID( )e t( )U t的控制規律為，如式 5.2 所示。 (5.2)1pd0i1( )( )( )( )de tU tKe te t dtTTdt式中，為 PID 系統比例系數，為 PID 系統積分系數，為 PID 系統微分系數。pKiTdT微分執行機構對象積分比例U(t)C(t)r(t)e(t)+-+圖 5.3 PID 控制系統在計算機控制系統中，數字 PID 控制算法通常又分為位置式 PID 和增量式 PID。增量型算法與位置型算法相比，具有以下優點：增量型算法不需要做累

41、加，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關，計算精度對控制量的計算影響較小，而位置型算法要用到過去偏差的累加值，容易產生大的累加誤差；增量型算法得出的是控制量的增量，而位置型算法的輸出是控制量的全量輸出，誤動作影響大；采用增量型算法，易于實現手動到自動的無沖擊切換。比例環節的作用是調整瞬間偏差。偏差一旦產生控制器立即產生控制作用，使偏差向減少的方向變化。控制作用的強弱取決于比例系數，比例系數越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態偏差也就pKpK蘭州交通大學畢業設計（論文）- 18 - 越小。但是過大，容易產生振蕩，破壞系統的穩定性。因此，必須恰當選擇比例系pK數才能減少過渡時間，并得

42、到靜差小而又穩定的效果。只要有偏差存在，積分部分的控制作用就會不斷地增強；只有在偏差為零時，控制器的積分才能是一個常數，控制作用才是一個不會增加的常數。可見，積分部分可以消除系統的偏差。但是，積分部分也會降低系統的響應速度，增加系統的超調量。積分常數越大，積分的積累作用越弱，這時系統在過渡時不產生振蕩；但是增大積分常數會減慢靜態誤差的消除過程，消除偏差需要較長的時間，但可以減少超調量，提高系統的穩定性。當較小時，則積分的作用較強，這時系統過渡時間中有可能產生iT振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。所以必須根據實際控制的具體要求來確定。iT運用 PID 控制的關鍵是調整三個比例系數，即參數整定。P

43、ID 參數整定的方法有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。由于智能車整個系統是機電高耦合的分布參數系統，并且要考慮引導線具體環境，要建立精確的智能車運動控制數學模型有一定難度，而且對車身機械結構經常進行不斷修正，模型參數變化較頻繁，可操作性不強；二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單，采用了這種方法，同時，先后實驗了幾種動態改變 PID 參數的控制方法10。5.3.2 車模直立控制車模直立控制是系統設計最為關鍵的一部分，車模直立是通過負反饋實現的。因為車模有兩個輪子著地，因此車體只會在輪子滾動的方向上發生傾斜

44、。控制輪子轉動，抵消傾斜的趨勢便可以保持車體直立了。控制車模穩定需要以下條件：(1) 能夠精確測量車模傾角角速度的大小；(2) 可以控制車輪的加速度。通過測量車模的傾角和傾角加速度控制車模車輪的加速度來消除車模的傾角。因此車模傾角以及傾角加速度的測量成為控制車模直立的關鍵。測量車模傾角和傾角加速度可以通過加速度傳感器和陀螺儀實現。MMA7260是一款三軸低半導體加速度計，可以同時輸出三個方向上的加速度模g擬信號，通過設置可以使得MMA7260最大輸出靈敏度為800mV/g。只需要測量其中一個方向上的加速度值，就可以計算出車模傾角，比如使用Z軸方向上的加速度信號。車模直立時，固定加速度器在Z軸水

45、平方向，此時輸出信號為零偏電壓信號。當車模發生傾斜時，重力加速度便會在Z軸方向形成加速度分量，從而引g起該軸輸出電壓變化，變化的規律如式5.3所示。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 19 - (5.3)gsinuk 式中，為重力加速度；為車模傾角，為比例系數。gk當傾角比較小的時候，輸出電壓的變化可以近似與傾角成正比。似乎只需要加速度就可以獲得車模的傾角，再對此信號進行微分便可以獲得傾角加速度。但在實際車模運行過程中，由于車模本身的運動所產生的加速度會產生很大的干擾信號疊加在上述測量信號上，使得輸出信號無法準確反映車模的傾角，因此對于車模直立控制所需要的傾角信息需要通過另外一種器件獲得，那就是角

46、速度傳感器陀螺儀。陀螺儀可以用來測量物體的旋轉角速度。選用ENC03系列的角速度傳感器。它利用了旋轉坐標系中的物體會受到克里利奧力的原理，在器件中利用壓電陶瓷做成振動單元。當旋轉器件時會改變振動頻率從而反映出物體旋轉的角速度。在車模上安裝陀螺儀，可以測量車模傾斜的角速度，將角速度信號進行積分便可以得到車模的傾角。由于陀螺儀輸出的是車模的角速度，不會受到車體振動影響。因此該信號中噪聲很小。車模的角度又是通過對角速度積分而得，這可進一步平滑信號，從而使得角度信號更加穩定。因此車模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺儀所得到的信號。由于從陀螺儀的角速度獲得角度信息，需要經過積分運算。如果角速度信號存

47、在微小的偏差，經過積分運算之后，變化形成積累誤差。這個誤差會隨著時間延長逐步增加，最終導致電路飽和，無法形成正確的角度信號。可以通過上面的加速度傳感器獲得的角度信息對此進行校正來消除這個累積誤差，利用加速度計所獲得的角度信息與陀螺儀積分后的角度進行比較，將比較的誤差信號經過比例放大之后與陀螺儀輸出的角速度信號疊加之后再進行積分。對于加速度計給定的角度，經過比例、積分環節之后產生的角度必然最終等于加速度計所獲得的角度。由于加速度計獲得的角度信息不會存在積累誤差，所以最終將輸出角度中的積累誤差消除了。5.3.3 車模速度控制車模運行速度是通過控制車輪速度實現的，車輪通過車模兩個后輪電機經由減速齒輪

48、箱驅動，因此通過控制電機轉速可以實現對車輪的運動控制。電機的運動控制有兩個作用：(1) 通過電機加速度控制實現車模直立穩定；(2) 通過電機速度控制，實現車模恒速運行和靜止。電機運動控制是通過改變施加在其上的驅動電壓實現的，車模運行速度調整時間相對很長。此時，電機速度與施加在其上的電壓成正比。通過傳統的PID反饋控制，便可以精確控制電機的運行速度，從而控制車模的運行速度。電機速度控制需要測量電蘭州交通大學畢業設計（論文）- 20 - 機的轉速，電機旋轉速度可以通過安裝在電機輸出軸上的光電編碼器方便獲得。5.3.4 車模方向控制實現車模方向控制是保證車模沿著競賽道路比賽的關鍵。通過道路電磁中心線

49、偏差檢測與電機差動控制實現方向控制。利用電磁線偏差檢測信號分別與車模速度控制信號進行加和減，形成左右輪差動控制電壓，使得車模左右輪運行角速度不一致進而控制車模方向。通過左右電機速度差驅動車模轉向消除車模偏差，這個過程是一個積分過程。因此車模差動控制一般只需要進行簡單的比例控制就可以完成車模方向控制。5.3.5 車模直立行走控制算法總圖通過上面介紹，將車模直立行走主要的控制算法集中起來，形成控制算法總框圖，如圖5.4所示。陀螺儀信號電磁線偏差 檢測信號速度PID控制比例MMK1比例積分K2加速度計Z軸信號左輪電機右輪電機速度反饋 車模直立控制信號速度測量脈沖信號 速度給定角速度角度 電機驅動電機

50、驅動圖 5.4 控制算法總框圖圖5.4中，為了實現車模直立行走，需要采集如下信號：(1) 車模陀螺儀信號；蘭州交通大學畢業設計（論文）- 21 - (2) 車模加速度計信號(Z軸信號)；(3) 車模電機轉速脈沖信號；(4) 車模電磁偏差信號（四路）。需要進行如下控制環節，控制車模電機轉動：(1) 車模直立控制：使用車模傾角的PD（比例、微分）控制；(2) 車模速度控制：使用PI（比例、積分）控制；(3) 車模方向控制：使用P（比例）控制。可通過單片機軟件實現上述控制算法，各模塊程序見附錄11。車模的三種控制（直立、速度、方向）最終是將控制量疊加在一起作為電機輸出電壓控制量。直立控制是基礎，它的

51、調整速度非常快，速度和方向控制相對調整速度慢。速度和方向控制的輸出量是直接疊加在電機控制電壓上。它們假定直立控制會始終保持車模不跌倒，直立控制會自動調節車模的傾角以適應車模的加速、減速和轉彎的需要。稍作分析如下：車模加速前進時，由速度控制算法給出電機增加的正向電壓，電機開始逐步加速旋轉。在此同時，車模直立控制會迅速進行調整，使得車模往前傾斜，車模開始加速。當車模速度達到設定值，由車模速到控制算法使得電機進入恒速運行。此時車模直立控制算法也會相應調整車模出于直立狀態，車模恒速運行。車模減速過程與此類似，由速度控制算法減少了電機的電壓，電機開始減速運行。直立控制算法會自動調整車模往后傾斜，使得車模

52、減速。車模轉向控制是在車速控制基礎之上，調節兩個電機驅動電壓差使得電機運行速度出現差動，進而調整車模的方向。在此控制算法中，直立控制一直維持車模的直立狀態，速度與方向控制將會成為直立控制的外部干擾。為了確保車模不會跌倒，因此外部的速度和方向控制算法調整速度不能夠過快，過于劇烈。5.4 調試與參數整定前面給出的算法存在很多參數，雖然從理論上可以對這些參數進行優化計算。但是由于受到車模模型精度的影響，計算所得到的參數也只能夠作為參考值，實際優化參數需要通過一定參數整定。(1) 電機PWM輸出調試：程序給出兩個電機固定的PWM輸出。測試電機轉速以及轉向是否符合設定的要求；(2) 陀螺儀和加速度計零偏

53、調試：獲得這兩個傳感器零點的偏移量，保持車模直立靜止，讀取兩個傳感器AD轉換值，記錄下來，作為后面程序中的零偏常量；蘭州交通大學畢業設計（論文）- 22 - (3) 測試車模直立判斷程序和跌倒判斷程序：此時禁止車模直立控制環節，通過讀取加速度計的數值，判斷車模是否直立或者跌倒。車模直立要求，車模傾角在正負10度之內，保持2秒鐘，車模跌倒判斷車模的傾角大于45度；(4) 車模直立控制調試：只啟動車模直立控制，調整兩個控制參數：傾角比例和角速度比例，使得車模能夠穩定的直立。此時由于沒有速度控制，車模可能會朝一個方向加速行駛。可以通過微調加速度計的零偏值，減小車模在直立的時候朝一個方向的加速度，盡量

54、控制車模靜止；(5) 車模速度控制調試：啟動車模的直立控制和速度控制，調節速度控制的PI參數，使得車模能夠靜止穩定在一個地點。然后再給定一個設定速度，車模可以穩定的前行或者后退；(6) 車模方向控制調試：啟動車模的直立控制、速度控制和方向控制。將車模放在電磁導引跑道上，車模可以穩定在跑道上運行。5.5 開發與調試環境在制作過程中，運行的編譯環境為 CodeWarrior5.0，CodeWarrior5.0 是 Metrowerks公司一套比較著名的集成開發環境，具有直觀，易用的優點。CodeWarrior5.0 包括項目管理，代碼生成，語法敏感編輯器等，具有快速下載，單步調控的特點，同時可以融

55、合 C 語言和匯編語言的混合編程。CodeWarrior5.0 具有在線調試，單步運行程序的功能，同時能夠觀察到主程序中定義的所有的變量的值。這一功能在進行程序錯誤檢查和改正時起到了至關重要的作用。CodeWarrior5.0 首先要新建一個基于 MC9SXS128 的 HCS12 的工程，選用語言為C，建立好新的工程后，就可以在編譯器里進行程序的編寫。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 23 - 結 論本文首先對智能車整體結構進行了具體分析，清晰地認識了智能車設計的基本任務，就此做出了設計的總體思路，并對小車直立行走任務進行具體分解。然后針對各模塊進行具體電路制作、調試，驗證了其應用電路原理的合

56、理性。最后將所有模塊組合起來，設計控制算法，編寫程序，利用單片機進行整體系統調試，最終設計制作完成了兩輪自平衡直立行走小車。取得的主要成果有：(1) 角度傳感器模塊的設計：深入研究了加速度計和陀螺儀的原理及應用，設計電路并結合兩傳感器各自的優點測量準確的車模角度。(2) 電磁傳感器模塊設計：分析了電磁傳感器信號的處理方法，并根據算法需要設計了感應線圈布局結構，完成了電路設計制作。(3) 電機驅動模塊的設計：設計出符合要求的驅動電路。(4) 直立運行控制算法設計：實現小車直立、穩定的沿賽道運行。完成上述工作，僅僅是實現了電磁車的基本功能，因此還有許多要做的工作，比如在控制算法方面進一步提高賽車的

57、性能。控制算法是電磁車的靈魂，還有很大的提升空間，今后還需要在直立行走控制算法方面做深入的研究。需要進一步改進的方面：(1) 改進控制算法，提高小車性能。當前設計的控制取算法只能是小車低速行走，改進控制算法能使小車各個模塊更加協調工作，進而能高速穩定運行。(2) 改進各模塊電路設計，系統更穩定。角度傳感器模塊電路設計有缺陷，運行時還是不穩定，需要進一步細化電路。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 24 - 致 謝本設計的工作是在我的老師悉心引導下完成的，他嚴謹的治學態度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝老師對我的關心和指導。在整個畢業設計的完成過程中，他不厭其煩地督促我們，循循善

58、誘的引導我們，并為我們解答難題。他以其嚴謹求實的治學態度，高度的敬業精神，兢兢業業、孜孜以求的工作作風和大膽創新的進取精神對我產生了重要影響，他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪！在實驗室工作及撰寫論文期間，得到了實驗室同學的熱情幫助，在此向他們表達我的感激之情。蘭州交通大學畢業設計（論文）- 25 - 參考文獻1 卓晴,黃開勝.學做智能車挑戰“飛思卡爾”杯M.北京:北京航空航天大學出版社,2007:20-46.2 陳剛.兩輪自平衡小車的設計與大范圍穩定控制的研究D.西安:西安電子科技大學,2009:2-10.3 趙凱華.電磁學M.北京:高等教育出版社,2003:78-93.4

59、 龔中麟.近代電磁理論M.北京:北京大學出版社,2010:10-45.5 華成英,童詩白.模擬電子技術基礎M.北京:高等教育出版社,2006:261-298.6 王兆安,劉進軍.電力電子技術M.北京:機械工業出版社,2009:150-165.7 王宜懷,曹金華.嵌入式系統設計實踐基于飛思卡爾 S12X 微控制器M.北京:北京航空航天大學出版社,2011:207-265.8 孫同景,陳桂友.Freescale 9S12 十六位單片機原理及嵌入式開發技術M.北京:機械工業出版社,2008:53-98.9 李華,范多旺,魏文軍等.計算機控制系統M.北京:機械工業出版社,2007:60-80.10 胡

60、壽松,王執銓,胡維禮等.最優控制理論與研究M.北京:科學出版社,2006:35-96.11 譚浩強.C 程序設計M.北京:清華大學出版社,2005:140-184.蘭州交通大學畢業設計（論文）- 26 - 附錄 A 系統原理圖蘭州交通大學畢業設計（論文）- 27 - 附錄 B 系統 PCB 圖蘭州交通大學畢業設計（論文）- 28 - 附錄 C 程序代碼#include derivative.h#include mma845x.h#include stdio.h#includeMC9S12XS128.h/端口位定義，可修改#define SDA PORTA_PA0 /IIC 數據線定義#define SCL P